1.3. Похибки вимірів і засобів вимірювальної техніки
Поняття про похибки вимірювань, класифікація похибок. Випадкові та систематичні похибки. Похибки вимірювань параметрів навколишнього середовища.
Процедура вимірювання складається з декількох основних етапів: прийняття моделі об'єкту вимірювання; вибір методу вимірювання; вибір засобів вимірювань; проведення розрахунків з метою обрання числового значення результату вимірювання. Різного роду недоліки, властиві цим етапам, призводять до того, що результат вимірювання відрізняється від істинного значення вимірюваної величини. Величина, що характеризує відхилення результату вимірювання від істинного значення вимірюваної величини, називається похибкою вимірювання.
Похибки є властивістю будь-якого вимірювання, вони обумовлені пізнавальним характером процесу вимірювання відносно до наших знань. В науці слово "похибка" не має звичайного значення чогось невірного. Похибки, власне, не слід відносити до помилок експериментатора, їх не можливо уникнути, намагаючись бути дуже уважним. Найкраще, на що можна розраховувати - це звести похибки до мінімуму і надійно розрахувати їх величини. Жодне з вимірювань, як би ретельно воно не проводилося, не може обійтись без похибок. Тому до задачі вимірювання входить не тільки визначення значення фізичної величини, але також й оцінка похибки, що була допущена під час вимірювань. Тому вимірювання вважається закінченим тільки в тому випадку, якщо відомо, з якою похибкою воно здійснене.
1.3.1 Поняття про похибки вимірювань, класифікація похибок
Похибка вимірювання - це відхилення результату вимірювання від істинного значення вимірювальної величини. Причин, що призводять до появи похибок при вимірюваннях, надзвичайно багато. Вони зумовлені: недостатнім знанням властивостей досліджуваного об'єкта; недосконалістю методів та засобів вимірювань, властивістю вимірювального об'єкта; динамічними умовами вимірів; похибкою шкали; округленням результатів вимірювання впливом навколишнього середовища тощо. Звичайно, одним з основних завдань при проведенні будь-якого вимірювання є виявлення та усунення причин та завад, що призводять до появи похибок. Аналізуючи причини виникнення похибок, необхідно виділяти ті, які най більш істотно впливають на результат вимірів.
В залежності від причин всі похибки розподілені на групи.
Похибки методу вимірювання - спричинені недосконалістю цього методу, а також недостатністю обґрунтування С його теорії, застосуванням наближених формул для спрощення розрахунків тощо.
Інструментальні похибки - складова похибок вимірювання - зумовлена недосконалістю засобів вимірювальної техніки. Ця похибка також може бути обумовлена конструктивними та технологічними недоліками. Наприклад, через неточність виготовлення та нестабільності елементів засобів вимірювальної техніки, неправильне градуювання шкали приладу тощо.
Суб'єктивні (особисті) похибки - як правило, є наслідком особистих властивостей спостерігача (експериментатора), які зумовлені особливостями його організму (недосконалість зору, втомленість тощо).
Основна похибка - похибка, яка виникає за нормальних умов застосування засобів вимірювальної техніки. Ця похибка нормується і вказується у відповідних документах (технічному паспорті, формулярі).
Додаткова похибка — обумовлюється відхиленням однієї чи декількох впливових величин (температури, тиску, вологості тощо) від нормального значення. Значення додаткової похибки, як і основної, нормується і вказується у відповідних технічних документах.
Систематична похибка - складова похибки, яка залишається сталою або закономірно змінюється при повторних вимірюваннях однієї і тієї ж величини. Вони зумовлені впливом на результат вимірювання багатьох факторів, дію яких не усунуто та не прийнято до уваги. Ці фактори можуть бути або постійно діючими, або закономірно змінюватись. На практиці повне усунення систематичних похибок неможливе, отже, результат будь-якого вимірювання містить залишки не виключених систематичних похибок.
Випадкова похибка - це та складова похибки, яка за повторних вимірювань однієї й тієї ж величини, проведених за допомогою одного й того ж приладу, в однакових умовах, з однаковою старанністю, дасть результати спостережень, що мають відрізнятись один від одного. Це вказує на те, що при багаторазових вимірюваннях результати спостережень та їх похибки є випадковими величинами. Іншими словами, результат будь-якого вимірювання "обтяжений" випадковими похибками.
Груба похибка - це похибка вимірювання, яка істотно перевищує очікувану за даних умов похибку.
Статична похибка - похибка при вимірюванні постійної в часі величини. Наприклад, похибка вимірювання постійного струму тощо.
Динамічна похибка - різниця між похибкою в динамічному режимі (похибка при вимірюванні змінної в часі величини) і статичною похибкою, яка відповідає значенню виміряної величини у відповідний момент часу.
Абсолютна похибка вимірювання —це алгебраїчна різниця між отриманим при вимірюванні значенням та істинним значенням вимірюваної величини:
де АХ- абсолютна похибка вимірювання; Хв - результат вимірювання; X- істинне значення вимірюваної величини.
Відносна похибка - відношення абсолютної похибки вимірювання до істинного значення вимірюваної величини:
Відносна похибка виражена в безрозмірних одиницях (або у відсотках). На практиці замість істинного значення використовують дійсне значення.
Приведена похибка - відношення абсолютної похибки до нормуючого значення вимірюваної величини:
де Хн — нормуюче значення.
Нормуюче значення приймають рівним:
для засобів вимірювань, у яких нульова відмітка знаходиться на краю або за межами шкали — кінцевому значенню діапазону вимірювань;
якщо нульова відмітка знаходиться в межах діапазону вимірювань - сумі кінцевих значень діапазону вимірювань;
для засобів вимірювань із встановленим номінальним значенням цьому номінальному значенню;
для вимірювальних приладів з суттєвою нерівномірністю шкали нормуюче значення встановлюють рівним в усій довжині шкали або її частині, відповідній до діапазону вимірювання.